华北多年代际旱涝历史演变及其与太平洋年代际振荡的关系

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中国地处东亚季风区,夏季风北进程度及强度变化,都能引起我国特别是东部地区相应的早涝分布变化。本文首先基于历史代用旱涝数据,探究历史时期中国东部旱涝年代际到百年尺度的变率分布特征;进一步验证17世纪以来华北地区多年代际旱涝演变与太平洋年代际振荡的较稳定联系;并且从气候变化角度出发,定量评估自然年代际变率对华北地区极端降水事件发生概率的影响;最后,利用世界气候研究计划最新实施的第5阶段国际耦合模式比较计划(CMIP5)中长期模拟结果,考查气候模式对太平洋海温年代际变率及其与区域降水相关关系的模拟能力,定量评估了太平洋年代际变率对区域降水气候变化的影响。主要结论如下:  (1)基于近千年中国东部旱涝数据,分析了中国东部年代际到百年际尺度的旱涝变率分布特征,着重讨论了多年代际南涝北旱事件在历史演变中的特殊性。  近四百年多年来中国东部最主要的旱涝分布型是一致型,即同期大多数站点同旱或同涝,变率中心位于黄河中下游;其次为南北反相型,该型近百年来有加强趋势,最典型案例即20世纪70年代后期至21世纪初频繁出现的南涝北旱异常分布,可视为一种多年代际尺度的极端事件;次强的南涝北旱事件发生在20世纪20年代期间,历史上类似事件很少见。中国南、北地区多年代际旱涝变率在大多时段是一致的,但有些时段呈相反的变率特征,尤其是20世纪70年代末至21世纪初,即为众所周知的“南涝北旱”极端事件。百年际尺度上,南、北区域旱涝趋势是一致的,即百年尺度上中国东部旱涝分布型也趋于一致型。对比分析20世纪两次南涝北旱极端事件(1919-1932年和1980-2002年)的大气环流要素场,可以得到,这两次事件都与西太平洋副高偏南有关,但是最近这次事件西太平洋副高强度偏强,向西向南伸展显著,导致东南季风偏强而西南季风偏弱。  (2)基于集合平均的思路整合太平洋年代际振荡代用序列,验证了近四百年华北多年代际旱涝变率与太平洋年代际振荡的稳定联系。  在多年代际尺度上,基于多种代用太平洋年代际振荡(PDO)指数序列的集合平均PDO序列与华北一带旱涝变率有显著的正相关关系。此结果拓展了多年来主要基于近代气象记录获得的PDO影响中国旱涝气候变化的认识,更完善地诠释了我国夏  季风区旱涝气候多年代际演变规律。(3)从气候变化角度出发,评估了太平洋年代际振荡对华北区域极端降水事件(如,‘7.21’北京大暴雨)发生概率的影响。  2012年7月21日,北京发生了自1951年以来最强的暴雨事件,简称‘7.21’北京大暴雨。1951-2012年期间,北京站‘7.21’大暴雨级别的极端降水事件(日累计降水量大于或等于160.6mm)共发生共5次,均发生在太平洋年代际振荡的负位相时期。计算得到,太平洋年代际振荡负位相时期,‘7.21’级别降水事件基本上每十年一遇;而正位相时期,此类极端事件则近四十年一遇,发生可能性很小。与此同时,在太平洋年代际振荡负位相时期,夏季华北区域发生极端南风、极端垂直风切变的可能性较大,从而发生极端降水事件的可能性也偏大。  (4)利用CMIP5模式长期模拟结果,评估模式对太平洋海温年代际变率及其与典型区域降水相关关系的模拟能力,定量评估太平洋年代际变率对典型区域降水的影响。  太平洋年代际变率指数(Pacific Interdecadal Variability,PIV),定义为平滑后的全球海温场EOF分解后得到的ENSO型模态。可以得到,超过一半模式控制试验能够较合理地模拟出太平洋年代际变率的空间型及其年代际尺度时间变率。基于观测资料得到,选取四个典型区域,其降水年代际变率与太平洋年代际变率有显著相关关系,分别为:华北、美国西南部、澳洲东部和非洲南部地区。据此挑选三个模式能够较合理地模拟PIV指数序列与上述四个区域降水的相关关系。分析得到太平洋年代际变率影响区域降水变化的季节环流机制:PIV正位相时期,阿留申低压强盛,异常气旋性环流控制北太平洋海域,将极地干冷气流带至日本东亚地区,并将热带副热带暖湿气流带至美国西南部地区,导致东亚地区降水偏少而美国西南部地区降水偏多;南太平洋海域,异常低气压控制新西兰地区,导致澳洲南部至新西兰地区受异常气旋性环流影响,将极地干冷气流带至澳洲大陆,使得澳洲大部分地区降水偏少偏旱;非洲南部地区受异常高压系统控制,导致降水偏少。夏季环流型与冬季环流机制类似,只是强度偏弱。
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